Способ получения модифицированных полисахаридсодержащих продуктов

 

Изобретение относится к способу получения модифицированных полисахаридсодержащих продуктов путем обработки крахмалсодержащего сырья щелочью в присутствии катализатора - соли двухвалентной меди и воды в условиях аэрирования, перемешивания и нагрева, причем в качестве крахмалсодержащего сырья используют растительное сырье, при этом предварительно, до обработки, сначала готовят водный раствор катализатора, далее сырье и катализатор перемешивают и нагревают, а щелочь вводят после достижения температуры 70 - 75°С и проводят обработку до достижения заданного значения вязкости. Способ воспроизводим и стабилен во времени.

Изобретение относится к получению продуктов модификации крахмала, в частности карбоксилсодержащих производных, которые могут найти применение в бумажной промышленности, строительстве, производстве буровых растворов, деревообрабатывающей промышленности и других областях народного хозяйства.

Известен способ получения крахмального продукта, предусматривающий обработку исходного гидролизованного крахмала щелочью /SU, 836093, кл. C 08 B 30/12, 1981 г. /. В известном способе исходный гидролизованный крахмал используют в виде водной дисперсии, получаемой путем кислотного гидролиза крахмала в буферном растворе, при этом обработку осуществляют при температуре 80 - 95^oC и расходе щелочи 5 - 20% к массе сухого крахмала. Известный способ обеспечивает получение крахмального продукта, обладающего улучшенными пленкообразующими свойствами и пониженным студнеобразованием водных дисперсий.

Однако известный способ позволяет получать продукты, которые могут быть использованы только в качестве связующих и пленкообразующих веществ.

Известен способ получения модифицированного окисленного крахмала, предусматривающий приготовление смеси водорода и гидроокиси щелочи, модифицирование крахмала смесью реагентов и последующую его декстринизацию /SU, 1165683, кл. C 08 B 31/18, 1985 г./. Полученный продукт характеризуется пониженной степенью растворимости в холодной воде и повышенной вязкостью клейстера.

Недостатком известного способа является использование в процессе взрывоопасного реагента - водорода.

Известен одностадийный способ модификации полисахаридов, в котором крахмал обрабатывают эпоксисоединениями в щелочной или нейтральной среде при температуре 20 - 100^oC /SU, 573016, кл. C 08 B 31/12, 1997 г./. Полученные модификации крахмала растворимы в холодной и горячей воде, обладают комплексом интересных для практики свойств благодаря наличию лактамных циклов в обрамляющих группах полимеров. Однако известный способ не является экологически чистым в виду применения в качестве реагента токсичного соединения - эпоксисоединения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ получения продукта, имеющего клеящие свойства, из зернового сырья /RU, 2017750, кл. C 08 B 30/18/. Известный способ характеризуется тем, что зерновое сырье смешивают со щелочным раствором, вводят катализатор, в качестве которого используют соединение меди, смесь перемешивают с одновременным ее аэрированием и процесс ведут при температуре 50 - 100^oC до достижения заданного значения pH. Полученный продукт /суспензия/ обладает высокой клеящей способностью. Серьезным ограничением широкого применения известного способа является получение продукта, обладающего преимущественно клеящими свойствами. Попытка расширения области применения известного способа и продукта на его основе, в частности, при разработке технологии приготовления буровых растворов с использованием продукта из зернового сырья в промышленном масштабе, показала следующее. Способ плохо воспроизводим и нестабилен во времени в виду быстрой дезактивации катализатора. Снижение активности катализатора происходит вследствие непосредственного соединения зерна со щелочью. Крахмал, содержащийся в зерне, под действием раствора щелочи уже при температуре 40 - 50^oC образует густые клейстеры, которые препятствуют равномерному распределению катализатора в реакционном объеме. Таким образом, при выполнении известной последовательности операций невозможно получить гомогенный катализатор. Из-за высокой вязкости массы процесс каталитического окисления крахмала резко тормозится.

В рамках данной заявки решается задача разработки промышленного, воспроизводимого и стабильного во времени способа получения продуктов модифицированного полисахарида, обладающего комплексом полезных свойств.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения модифицированных полисахаридсодержащих продуктов путем обработки крахмалсодержащего сырья щелочью в присутствии катализатора, содержащего ионы меди, в условиях аэрирования, перемешивания и нагрева, в качестве крахмалсодержащего сырья используют растительное сырье, а в качестве катализатора - водный раствор соли двухвалентной меди, при этом предварительно, до обработки, сырье и катализатор перемешивают и нагревают, щелочь вводят после достижения температуры 70 - 75^oC, а обработку ведут до достижения заданного значения вязкости продукта.

Авторами экспериментально было установлено, что только в рамках заявленной последовательности действий и режимов выполнения операций решается поставленная задача. Щелочь следует вводить только после предварительного смешивания сырья с водным раствором катализатора и достижения температуры нагрева 70 - 75^oC.

Сущность данного способа состоит в том, что растительное сырье, основными компонентами которого являются полисахариды /крахмал, целлюлоза/, в условиях эффективного газо- и массообмена и гомогенного катализатора окисляется кислородом в присутствии щелочи с образованием водорастворимых поликарбоновых кислот. Поскольку реакцию проводят в щелочной среде, то кислоты в реакционной смеси находятся в виде солей щелочных металлов. В данном способе модификации полисахаридов процесс окисления идет стабильно в условиях гомогенного катализатора таким образом, что скорость растворения кукурузных зерен не превышает скорости окисления крахмала, т.е. без резких колебаний вязкости окисляемой массы. Данный способ промышленно применим, т.к. заявленные деструктирующий и структурообразующий реагенты в заявленной последовательности действий и режимов позволяют гибко управлять процессом и получать продукты с заданным значением вязкости.

Продукты реакции - соли полиоксикарбоновых кислот обладают комплексом полезных свойств: высокая клеющая способность, смазывающие свойства, они также являются высокоэффективными ПАВ. Указанные свойства продуктов модификации крахмала были экспериментально изучены на образцах разной степени модификации и с различным катионным составом.

Сущность данного способа поясняется примерами его реализации.

Пример 1.

В эмалированный или стальной реактор емкостью 10 л, помещенный в термостат и снабженный механической мешалкой, заливают 6 л воды и загружают 20 г CuSO₄ · 5H₂O. Раствор перемешивают до полного растворения катализатора. Затем засыпают 1,5 кг кукурузного зерна. Включают нагрев и механическую мешалку. После достижения температуры 70^oC добавляют 80 г NaOH. Смесь активно перемешивают и одновременно начинают барботировать кислород. В процессе обработки поддерживают температуру на уровне 70 ± 2^oC. Время обработки 4 часа. Процесс идет стабильно без резких колебаний вязкости среды. В результате обработки образуется продукт с вязкостью 4000 - 6000 сантипуаз, который может быть использован для обработки бурового раствора при бурении скважин в качестве комплексного реагента-стабилизатора технологических свойств бурового раствора.

Для повышения технологичности процесса целесообразно соль двухвалентной меди загружать в предварительно нагретую до 80^oC воду, а затем процесс термостатировать на уровне 70 - 75^oC. Щелочь также вводят при указанной температуре после предварительного перемешивания крахмалсодержащего сырья с водным раствором катализатора - соли двухвалентной меди.

Пример 2.

Окисление рисовой мучки проводят аналогично описанному в примере 1. В эмалированный или стальной реактор емкостью 10 л заливают 7 л воды и загружают 20 г CuSO₄ · 5H₂O. Раствор перемешивают в течение 10 - 15 мин до полного растворения соли двухвалентной меди. Затем загружают 1,8 кг рисовой мучки. Перемешивание ведут в условиях нагрева. После достижения температуры 70^oC добавляют 70 г щелочи /NaOH или KOH/, активно перемешивают при постоянном барботировании кислорода через раствор. Полученный продукт имеет вязкость 400 - 500 сантипуаз при температуре 65^oC. Рисовая мучка содержит большое количество жиров, которые под действием щелочи гидролизуются с образованием глицерина и солей жирных кислот, поэтому полученный продукт обладает высокими смазывающими свойствами.

Пример 3.

Окисление кукурузного зерна проводят аналогично примеру 1. Расход реагентов: 6 л воды, 15 г CuSO₄ · 5H₂O, 1,2 кг кукурузного зерна, 80 г щелочи. Время обработки 6 часов. В результате получают продукт с вязкостью 600 - 1000 сантипуаз при температуре 65^oC. Продукт обладает высокими адгезионными свойствами и может быть использован в качестве клеящего вещества в различных областях промышленности как самостоятельно, так и в виде композиций с другими связующими.

Пример 4.

Окисление рисового зерна проводят аналогично примеру 1. Расход реагентов: 6 л воды, 12 г соли двухвалентной меди, 1,5 кг рисового зерна, 60 г щелочи. В ходе обработки поддерживают температуру 70 ± 2^oC. Время обработки 6 часов. Полученный продукт имеет вязкость 2500 - 3000 сантипуаз при температуре 65^oC. Продукт обладает высокими поверхностно-активными свойствами и может быть использован в качестве флюкулянта или коагулянта для очистки различных жидкостей от взвешенных частиц.

Пример 5.

Окисление измельченных картофельных клубней проводят аналогично примеру 1. Расход реагентов: 5 л воды, 18 г CuSO₄ · 5H₂O, 2 кг измельченных картофельных клубней, 60 г щелочи. Время обработки - 3 часа. Полученный продукт - это стабильная суспензия с вязкостью 3000 - 3500 сантипуаз при температуре 70^oC. Полученный продукт может быть использован в качестве реагента - регулятора процесса при флотации руд различных полезных ископаемых.

Данный способ получения модифицированных полисахаридсодержащих продуктов является промышленно применимым, воспроизводимым благодаря применению гомогенного катализатора на основе водного раствора двухвалентной меди в заявленной последовательности действий. Полученные данным способом продукты обладают комплексом полезных свойств.

Формула изобретения

Способ получения модифицированных полисахаридсодержащих продуктов путем обработки крахмалсодержащего сырья щелочью в присутствии катализатора - соли двухвалентной меди и воды в условиях аэрирования, перемешивания и нагрева, отличающийся тем, что в качестве крахмалсодержащего сырья используют растительное сырье, при этом предварительно, до обработки, сначала готовят водный раствор катализатора, далее сырье и катализатор перемешивают и нагревают, а щелочь вводят после достижения температуры 70 - 75^oC и обработку ведут до достижения заданного значения вязкости продукта.